王莊煤礦西風井主要通風機更換期間通風系統故障預測分析

吳培林

（山西潞安環保能源開發股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046102）

0 前言

煤炭資源是我國最主要的能源，全國多個煤炭礦井已經為我國的發展貢獻了巨大的力量，多年的開采導致部分煤礦的機械設備老化，礦井風機存在喘振、停風等巨大隱患，隨時可能導致通風系統癱瘓[1-4]。王莊煤礦隨著生產年份的增加，通風系統日益復雜，多次風量調節，西風井主要通風機存在設備磨損，銹蝕嚴重的問題，對于可靠供風存在重大安全隱患。

針對通風系統動力失效的問題，眾多學者分別從通風構筑物有效性及通風構筑物與通風系統失效性關系進行分析[5-6]。引入極限概念判別風量穩定的定量條件，提高通風系統風量穩定性[7]。采用Lyapounov穩定性理論對礦井通風系統的穩定性進行分析[8]。

基于此，需要對王莊煤礦目前的西風井主要通風機進行更換，以更換期間通風系統故障分析為研究對象，運用M V I S通風管理信息系統，對西風井主要通風機可能出現失效的情況，即現場中也稱之為無計劃停風，進行故障預測分析，并就可能出現的安全隱患提出合理的解決措施，確保礦井通風系統的安全可靠。

1 西風井主要通風機動力失效后預測

礦井通風管理信息系統是三維可視化信息管理系統，基于大量的實際測量數據實現通風網絡實時解算、仿真系統圖的生成、通風網絡分配仿真功能等，軟件可任意改變通風系統結構、密閉巷道、新掘巷道、通風動力（葉片角度調整、頻率改變、開停操作）、通風構筑物狀態（拆除、增加和開啟）等，通過仿真運算，能夠實現通風系統狀態變化后的通風系統再現問題。利用該系統模擬預測可以快速得出構筑物及風機狀態改變時，巷道內風量大小，風流狀態等諸多信息，準確定位各條巷道，對礦井企業進行判斷與決策有重大意義。

目前西風井主要通風機型號2K60-4N o28參數為：風機葉片角度51.5°，電機額定功率800 kW，回風10 110 m3/min。新更換風機、電機主要技術參數與目前運行風機參數基本一致，所以風機型號選為AG F606-2.82-1.58-2，額定風量為12 000 m3/min。

1.1 動力失效后主要通風系統預測

目前西風井主要通風機風量為10 110 m3/min，52采區總回風量3 000 m3/min，51皮帶巷進風700 m3/min；62主要通風機總回風量9 230 m3/min，負壓2 580 Pa，52采區總回風量3 000 m3/min，540暗斜井皮帶巷進風1 000 m3/min。

在風機更換期間，西風井出現通風系統故障即西風井主要通風機無計劃停風后，通過通風管理信息系統M V I S分析得出：對新區通風系統沒有影響不做討論，主要影響區域是老區，特別是52采區均處于微風狀態，可以由62風井主要通風機負擔王莊煤礦老區通風系統，保證運煤系統通風可靠運行。西風井主要通風機無計劃停風后經仿真結果：62主要通風機負壓降低61 Pa（2 519 Pa），總回風量增加320 m3/min（9 550 m3/min），西回風井反向進風1 500 m3/min。主要巷道風量變化見表1。

由表1和圖1可以看出，當西主要通風機無計劃停風后，62風井主要通風機負擔王莊煤礦老區通風系統，西風井通風系統變為自然通風，除西回風井以外，其余各風井風量都有不同程度的減少，其中西進風井風量減少4 600 m3/min；主立井風量變化最小為減少了420 m3/min，說明對其影響很小；主斜井、副斜井、副立井風量減少在1 000 m3/min到2 000 m3/min；西回風井改為進風增加1 500 m3/min，風流反向。停風后主要通風系統能夠滿足基本通風要求，但個別巷道存在微風情況和瓦斯涌出異常區域，下面進行具體討論。

表1 西風井風機停風前后各風井風量變化

圖1 停風前后各風井風量變化柱狀圖

1.2 西風井主要通風機動力失效后微風巷道分析

西風井目前擔負52、51、61采區和主皮帶、630大巷等巷道的通風任務，通過礦井通風管理信息系統模擬分析可知，當西風井停風后，受停風影響最大的是52采區和4處主要巷道出現微風現象，分別是51皮帶風量260 m3/min，61南輔軌風量280 m3/min，630皮帶180 m3/min，540膠帶運輸機大巷，風流反向500 m3/min，其他主運輸巷道風流方向正常。

1.3 通風動力失效后瓦斯異常區域預測

瓦斯涌出以來源可分為原生瓦斯與積聚瓦斯涌出。原生瓦斯如采掘工作面煤壁、井巷周壁、被破碎的煤塊向空氣中涌出的瓦斯。積聚瓦斯涌如老空區、舊巷、高頂以及煤巖裂縫中聚集的瓦斯涌出。

對于抽出式通風礦井無計劃停風時，導致壓強恢復，瓦斯的絕對涌出量變小，積存瓦斯量會逐漸增多。52采區由于位于西風井通風系統的末端，西風井停風后52采區將出現微風狀態，目前，52采區只有1個52M2安裝工作面，通過檢測可知，該工作面的絕對瓦斯涌出量約為0.65 m3/min，52采區絕對瓦斯涌出量約為1.85 m3/min，52采區專回長度約為9 000 m，平均斷面取15 m2，巷道體積135 000 m3。

qt=k0qz（1）

式中：qt為無計劃停風時期的瓦斯絕對涌出量，m3/min；qz為正常時期工作面風量，m3/min。為停風后瓦斯涌出量調節系數，因無風時瓦斯涌出減少，所以調節系數取經驗值為0.7。

本文預測時按照完全沒有風量通過預測，停風后的瓦斯涌出量為1.295 m3/min；每小時的瓦斯涌出量為77.7 m3，所以每小時52采區瓦斯濃度增長為0.057 6%，如圖2所示。

圖2 52采區瓦斯濃度與停風時間關系

由圖2可知停風12 h，52采區回風瓦斯濃度為0.69%，而到了停風52 h，瓦斯濃度達到了3%，根據煤礦安全生產規程規定，當甲烷或二氧化碳濃度達到3%或者其他有毒有害氣體超過規定限度時，需要進行封閉處理，所以西風井在更換風機過程中，必須在瓦斯濃度達到3%之前完成更換，并且將更換調試的時間盡可能縮短，保障井下通風系統的安全。

2 西風井主要通風機動力失效后預案措施

西風井停風后，為了降低和減少停風影響和損失，增大通風系統可靠性和穩定性，最大程度確保礦井安全，可采取如下預案措施。

2.1 52采區采取的措施

西風井停風后按《王莊煤礦西風井主扇無計劃停風事故專項應急預案》要求執行，根據《煤礦安全規程》[9]第一百七十五條，“臨時停工的地點，不得停風；否則必須切斷電源，設置柵欄、警標，禁止人員進入，并向礦調度室報告。停工區內甲烷或者二氧化碳濃度達到3%或者其他有害氣體濃度超過本規程第一百三十五條的規定不能立即處理時，必須在24h內封閉完畢”要求，在不能立即處理時需要對52采區進行封閉處理，可在51皮帶巷、51軌道巷車場和630總回進行封閉。

2.2 其余主要巷道微風措施

西風井停風后，受停風影響的4處主要巷道出現微風現象，采取的措施如下：

1）51皮帶底進風石門巷道打開風門，51皮帶風量達到424 m3/min（停風前風量1 610 m3/min）可滿足巷道用風。

圖3 51皮帶風量調節圖

2）61聯絡巷風門加大調節，61南輔軌反向風量達到650 m3/min，風流反向（原風量650 m3/min）通風系統穩定。

3）打開分煤巷回風繞道風門，同時在62分煤巷加臨時風門，控制風量維持600 m3/min，可以使630皮帶風量反向增大到406 m3/min，540膠帶運輸機大巷增大到452 m3/min，可滿足巷道用風。

圖4 61南輻軌風量調節圖

圖5 630皮帶及540膠帶巷風量調節圖

通過采取上述措施后（彩色巷道表示風流方向與現有風流反向），可使51皮帶風量達到424 m3/min，61南輔軌風量達到650 m3/min，630皮帶巷風量達到400 m3/min，540膠帶運輸機大巷達到450 m3/min，通風系統可穩定運行。

3 結論

利用王莊礦井通風管理信息系統，結合王莊煤礦礦井目前通風系統現狀，對通風系統進行全面、科學、系統的分析，對王莊煤礦西風井主要通風機更換期間進行故障預測分析，給出相應的處理措施。

1）針對西風井主要通風機無計劃停風的情況，進行礦井通風系統風量仿真，結果表明：無計劃停風后，老井區域各進風風井進風減少明顯，造成與老井主運輸系統相連的巷道多處微風甚至無風狀態；西回風井改為進風增加1 500 m3/min，風流反向。

2）針對西風井通風系統失效后，對52采區瓦斯濃度進行預測，如西風井主要通風機停風52 h仍無法啟動時，瓦斯濃度將達到3%，根據規定需要進行采區封閉處理。

3）停風期間，62主要通風機負擔整個老區通風系統回風任務，有4處主要巷道存在微風情況，采取相應的措施后，能夠滿足通風系統要求，保證出煤系統通風可靠運行，從而避免造成全礦井停產。